[논문 리뷰] A Transactive Energy Market Framework Considering Network Constraints and Fairness

Fredmar N. Asarias, Michael Angelo A. Pedrasa|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분산 에너지 자원(DER) 참가자들 간의 공정한 수익 분배를 보장하기 위해 전체 AC 최적 전력 흐름과 공정성 인식 기반 수익 배분 알고리즘을 통합한 삼단계 전자 거래 에너지 시장 프레임워크를 제안한다. DER 디스패치, 거래 가격, 네트워크 제약 조건을 공동으로 최적화함으로써, 전체 시스템의 복지 최대화를 달성하고, 특히 DER 소유주들을 포함한 모든 참가자가 기여도에 비례한 공정한 인cent리브를 수령함을 보장한다. IEEE 33-bus 시스템에서의 검증 결과, 비용 절감 효과가 뚜렷하고 현금 흐름이 균형을 이루었다.

ABSTRACT

The continuous penetration of distributed energy resources (DER) in the electric power grid is driving a new paradigm shift towards transactive energy system (TES), an active and more sustainable system characterized by distributed generation and energy exchanges among consumers and producers in the network. This transition, however, comes with challenges such as dealing with the nonlinear and non-convex power flows of the system, determining an optimal transaction price to maximize overall system welfare, and ensuring fairness for all participants. In this paper, we propose a three-stage transactive energy framework that aims to address these challenges. In the first stage, the cost without trading is calculated which will serve as the reference in the profit maximization problem in the next stage. DER dispatch, power flows and initial transaction payments/incentives of the participants will then be determined in the second stage. A benefit allocation algorithm is applied in the third control stage to determine the optimal transaction price and final payments/incentives that will ensure fairness for trading participants. The proposed framework was tested in an IEEE 33-bus system and results show that fair benefits are given for all participants during trading and the system operates within the network and economic constraints.

연구 동기 및 목표

• 기존 전자 거래 에너지 시스템에서 비선형 AC 전력 흐름을 고려하지 않은 정확한 네트워크 모델링과 공정성 부족 문제를 해결하기 위해.
• DER 참가자들 간의 거래된 에너지 단위당 공정한 수익 분배를 보장하여, 소규모 또는 재생 가능 에너지 비중이 높은 프로슈머의 참여를 저해하지 않기 위해.
• AC 최적 전력 흐름, 수익 극대화, 공정성 기반 인센티브 할당을 통합한 삼단계 프레임워크를 개발하기 위해.
• 네트워크 제약 조건을 유지하면서도 전체 시스템 경제 효율성과 참가자 복지 향상을 달성할 수 있는지 검증하기 위해.
• 고 DER 비중 환경에서 실생활 분포 수준의 에너지 거래를 위한 확장 가능하고 공정하며 경제 효율적인 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• 단계 1은 거래 없이 기준 비용을 계산하여 이후 단계에서의 수익 극대화 기준으로 사용된다.
• 단계 2는 AC 최적 전력 흐름(AC OPF)을 사용한 공동 최적화 문제를 해결하여 최적의 DER 디스패치, 전력 흐름 및 초기 거래 지급/인센티브를 산정한다.
• 단계 3은 나쉬 협상 이론 기반의 수익 배분 알고리즘을 적용하여 공정한 거래 가격과 최종 지급액을 계산하며, 모든 참가자가 거래된 에너지 단위당 동일한 수익을 확보하도록 보장한다.
• 프레임워크는 비선형이고 비볼록인 AC OPF 모델을 사용하여 실제 분포 네트워크 제약 조건을 정확히 반영하며, 선형화되거나 완화된 근사치를 사용하지 않는다.
• 수익 배분 알고리즘은 모든 생산자 및 소비자 간의 단위 에너지당 수익을 동일하게 맞추며, 수출/수입 에너지 및 네트워크 손실을 고려하여 조정한다.
• 전체 프레임워크는 실시간 변화하는 부하 및 재생 가능 에너지 발전 프로파일을 반영한 IEEE 33-bus 시스템에서 테스트되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 전자 거래 에너지 시장 프레임워크가 AC 전력 흐름 제약 조건을 존중하면서도 DER 참가자들 간의 수익 분배의 공정성을 보장할 수 있는가?
• RQ2 완전한 AC OPF 모델을 사용할 경우와 비틀림되거나 선형화된 모델을 사용할 경우 분포 시스템에서 에너지 거래의 정확성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 AC OPF, 수익 극대화, 공정성 기반 인센티브 할당을 통합한 삼단계 프레임워크가 전체 시스템 복지 향상과 균형 잡힌 현금 흐름 달성에 기여할 수 있는가?
• RQ4 수익 배분 알고리즘이 다양한 시간대에 걸쳐 생산자 및 소비자들이 거래한 에너지 단위당 수익에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 프레임워크가 전체 에너지 비용을 얼마나 줄이고 DER 소유자의 참여 인cent리브를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 고 DER 출력을 가진 참가자들까지도 공정한 인센티브를 수령하도록 보장하며, 수익 배분 이후 거래된 에너지 단위당 수익이 모든 참가자에게 동일하게 수렴한다.
• 시간 t=23에서 1,000kWh 이상 수출한 생산자들은 각각 $0.92와 $2.80의 수익을 얻었으며, 이는 참여를 저해할 수 있는 공정성 메커니즘의 필요성을 강조한다.
• 수익 배분 알고리즘을 적용한 후, 모든 생산자 및 소비자 간의 단위 에너지당 수익이 동일하게 조정되어 모든 시간 단계에서 공정성이 달성되었다.
• 최적의 거래 가격은 전력 회사의 판매 가격보다 높고 구매 가격보다 낮아, 모든 참가자가 상호 이득을 볼 수 있도록 보장하였다.
• 완전한 AC OPF를 최적화 과정에 통합함으로써 네트워크 제약 조건(열적 제한 및 전압 프로파일)을 완전히 준수하였다.
• 시뮬레이션 결과, 참가자들의 전체 에너지 비용이 감소하고 현금 흐름이 균형을 이루었으며, 전체 시스템의 경제 효율성이 향상됨을 입증하였다.